熱處理及纖維增強(qiáng)NAFION膜研究.pdf

1、質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)是一種通過(guò)電化學(xué)反應(yīng)將燃料(如氫氣)的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置。質(zhì)子交換膜燃料電池有著起動(dòng)快，高效，低污染的特點(diǎn)，這一特點(diǎn)使其成為未來(lái)移動(dòng)電源及備用電源的重要候選電源。
　　 目前，制約質(zhì)子交換膜燃料電池商業(yè)化的主要是燃料電池的壽命問(wèn)題。質(zhì)子交換膜是燃料電池的核心組件。質(zhì)子交換膜的物理退化被認(rèn)為是燃料電池失效的重要原因之一。而已有的研究表明，提高強(qiáng)度可以提高可以改善膜的耐久性。通過(guò)熱處理和纖維增強(qiáng)是

2、提高膜的機(jī)械性能有效途徑。但是熱處理提高機(jī)械性能的機(jī)理并不清楚，而且對(duì)膜的導(dǎo)電性影響也令人擔(dān)心。纖維增強(qiáng)雖然已有大量實(shí)際工作，但是理論上纖維增強(qiáng)的潛力和局限還沒(méi)有研究報(bào)道。本文研究了ePTFE/Nafion復(fù)合膜中ePTFE相含量對(duì)膜機(jī)械性能的影響并評(píng)價(jià)了不同熱處理工藝對(duì)膜Nafion211膜機(jī)械性能及傳導(dǎo)性能的影響。本文通過(guò)研究得到以下主要結(jié)論：
　　 (1)對(duì)Nafion膜進(jìn)行120℃-160℃之間的熱處理時(shí)可以提高膜的結(jié)晶

3、度，但熱處理引起的無(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)會(huì)破壞膜的團(tuán)簇結(jié)構(gòu)，從而降低膜的電導(dǎo)率。也就是說(shuō)直接將Nafion膜進(jìn)行熱處理是行不通的。
　　 (2)對(duì)Na離子修飾的Nafion膜進(jìn)行220℃-240℃之間的熱處理也可以改善膜的機(jī)械性能。同時(shí)，由于Na離子的引入，膜內(nèi)形成強(qiáng)大的靜電網(wǎng)絡(luò)。在靜電網(wǎng)絡(luò)的作用下，高溫?zé)崽幚頃r(shí)膜中離子團(tuán)簇發(fā)生有序化重構(gòu)，使膜中側(cè)鏈活動(dòng)性增強(qiáng)。這一結(jié)構(gòu)變化導(dǎo)致了膜電導(dǎo)率的提高。對(duì)Na型Nafion膜進(jìn)行2h的熱處理(如在

4、240℃)可以較好的平衡膜的強(qiáng)度和電導(dǎo)率關(guān)系，同時(shí)可以使膜的溶脹應(yīng)力降至膜的安全疲勞應(yīng)力值附近。這為Nafion膜的熱處理提供了一條有效的途徑。
　　 (3)ePTFE/Nafion復(fù)合膜的強(qiáng)度與復(fù)合膜中各相含量有緊密關(guān)系。ePTFE的引入不一定能對(duì)復(fù)合膜起到增強(qiáng)的作用，只有當(dāng)復(fù)合膜中的ePTFE相含量高于其增強(qiáng)閾值時(shí)，ePTFE才能對(duì)復(fù)合膜進(jìn)行增強(qiáng)，在本研究中，該閾值為20.7vol％。在ePTFE相含量高于此閾值含量時(shí)，復(fù)合